Um post de convidado por: Xavier DRAYE, Guillaume LOBET, Brieuc RYELANDT, Antoine RUMMENS, Thomas FERON, Gabriel CARESTIA, Timothée, François DUQUESNE, Nicolas DEFFENSE e Fabio CLAPS
O fundo
Durante anos, uma pequena proporção da comunidade científica de plantas desenvolveu e usou modelos de plantas. Cuidado com a confusão aqui: ao dizer modelos de plantas, não estamos nos referindo a nenhuma planta modelo (Arabidopsis, milho ou Brachypodium, o que for o seu favorito), mas a modelos computacionais de plantas. Plantas virtuais. Não plantas nascidas de ATCGs, mas de 0 e 1.
Esses modelos de plantas têm sido usados para descrever a formação, crescimento e desenvolvimento dos órgãos das plantas (por exemplo, raiz, broto, frutas ou folhas), mas também como esses órgãos influenciam e são influenciados por seu ambiente. Em termos de escala, os modelos de plantas foram criados a partir de escalas de órgão para campo, tornando-os extremamente amplos e com inúmeras aplicações potenciais.
No entanto, a comunidade científica de plantas como um todo não é uma grande usuária de modelos de plantas. Por que é que?
Uma razão pode ser que os modelos de plantas podem ser assustadores (embora não tenhamos dados concretos para apoiar essa afirmação). De fato, assim que você conversar com um modelador de plantas, poderá se deparar com uma lista assustadora de ovos Python, bibliotecas C++ e outras dependências Java. Não há melhor maneira de fazer um novato em computador executar o outro caminho. Mas é realmente tão difícil usar modelos de plantas?
Os atores
Nossa história aconteceu durante o primeiro semestre (setembro-dezembro) do ano acadêmico 2017-2018, na Universidade de Louvain (Bélgica), na Faculdade de Engenharia de Biociências. Os atores foram oito alunos de mestrado (Brieuc, Antoine, Thomas, Gabriel, Timothée, François, Nicolas e Fabio) que acompanharam a palestra “Systems Biology Modelling” ministrada por Xavier e Guillaume. Os alunos não tinham uma sólida formação em programação ou ciências da computação. Eles fizeram apenas dois cursos introdutórios ao ambiente de programação MatLab.
A estrutura do curso foi a seguinte: começou com uma breve introdução geral à biologia de sistemas, depois os alunos foram convidados a formar 3 grupos para o resto do semestre. Durante as restantes palestras (aprox. 20h), cada grupo teve a seguinte tarefa:
- escolha um modelo biológico existente e publicado;
- aprender a teoria biológica sobre a qual o modelo foi construído;
- Aprenda a instalar e executar os modelos e;
- Responda a uma pergunta simples usando o modelo.
Além dessas tarefas, cada grupo também teve que:
O que fizemos
Três modelos diferentes foram escolhidos pelos diferentes grupos: OpenSimRoot (correio et al. 2017), LPy (Boudon et al. 2012) e RootBox (Leitner et al. 2010).
OpenSimRoot
OpenSimRoot é um modelo de raiz estrutural funcional que é combinado com um modelo de solo para simular a absorção de água e nutrientes. Permite a implementação de mini modelos. Nossa experiência com esse modelo foi difícil no começo, porque precisávamos entender como fazer uma simulação, como incluir os minimodelos, o que podemos mudar facilmente nos parâmetros. Mas com algumas horas de testes, conseguimos brincar com ele e fazer simulações básicas, com níveis de nitrogênio contrastantes.
Mais resultados estão disponíveis na página wiki do grupo: https://github.com/LBRAI2219/working-with-models-team-vin-chaud/wiki
A página do twitter do grupo era: @biomodelização
rootbox
rootbox é um modelo codificado em Matlab. Ele foi projetado para criar facilmente geometrias ramificadas dependentes do tempo de sistemas radiculares de plantas em crescimento. Foi um verdadeiro prazer trabalhar em um modelo como este. Todo o código estava disponível gratuitamente e os criadores responderam às nossas perguntas. Uma interface gráfica do usuário nos permitiu dar os primeiros passos com o modelo. Os comentários no código nos ajudaram a entrar mais fundo no programa.
Como futuros agrônomos, estamos muito interessados em parasitas de plantas. Este projeto nos permitiu entender como certas resistências a patógenos poderiam funcionar. Pudemos usar o Rootbox para modelar um sistema de beterraba tolerante a nematóides e usar o modelo como uma prova de conceito para explicar essa resistência.
Mais resultados estão disponíveis na página wiki do grupo: https://github.com/LBRAI2219/working-with-models-agro-team
A página do twitter do grupo era: @BioModelagem
L-Py
L-py é um modelo baseado na Sistema L (uma linguagem de reescrita, adequada para estruturas fractais) e codificada em Python.
Nosso objetivo era usar o L-py para simular a interceptação de luz por uma planta de lúpulo e obter mais informações sobre a importância funcional das características da parte aérea. Nossa primeira tarefa foi aprender a linguagem baseada no sistema L. Depois de entendermos como o software funcionava, foi bastante fácil criar um modelo básico da planta. O próximo passo do nosso projeto foi simular uma planta de lúpulo. Assim, nos deparamos com as dificuldades de representar a fisiologia complexa de uma planta com regras de programação simples. Finalmente, a ideia era integrar nossa planta em um módulo de simulação de luz, para que pudéssemos avaliar o efeito da luz sobre a planta de lúpulo.
Os desafios que enfrentamos
Os três grupos conseguiram executar com sucesso o modelo de sua escolha e fazer algumas simulações básicas. No entanto, nem tudo foi fácil e tranquilo. Ao longo do projeto, os diferentes grupos enfrentaram diferentes desafios. Podemos resumi-los em três categorias principais: instalação do modelo, uso do modelo e parametrização do modelo.
Instalando e executando o modelo
O primeiro passo, e a primeira oportunidade de coçar a cabeça, é a instalação do modelo em seu próprio computador. Cada modelo, independente de sua complexidade, possui sua própria linguagem de programação e ambiente de execução. Embora uma boa proporção de biólogos de plantas encontre seu caminho em torno de R ou Python, as coisas podem ficar confusas rapidamente quando se trata de Java (qual versão mesmo?), C++ (qual compilador devo usar?) uma licença!). Em seguida, vem o carregamento de bibliotecas, ajuste do ambiente em execução, carregamento de mais bibliotecas e versão incompatível. E, sejamos honestos, a documentação para esses tipos de problemas geralmente é insuficiente e muitas vezes confusa.
Entendendo o modelo
Depois que você passou a primeira etapa e o modelo está rodando, chega o ponto que você precisa entender… Qual variável, em qual arquivo devemos alterar? Como devo formatar meu arquivo de parâmetro? Onde estão as saídas e como acessá-las? Como posso executar o modelo em lote para fazer milhares de simulações? Quanto à instalação, os guias do usuário para modelos de plantas geralmente são muito leves e não permitem que os usuários explorem totalmente suas capacidades.
Dito isso, para todos os três projetos, contatamos os autores dos modelos e todos foram muito prestativos.
Parametrizando o modelo
Finalmente, uma vez que você instalou o modelo e sabe como usá-lo, é hora de fazer uma pergunta biológica. E com essa pergunta vem a necessidade de dados experimentais sólidos. Embora a literatura esteja repleta de dados e números qualitativos, na maioria das vezes faltam dados quantitativos brutos necessários para a modelagem. Saber que os nematóides estão se movendo para baixo no solo com o avanço da estação não é suficiente. Para usar essas informações no modelo, precisamos saber quando essa migração começa, onde e com que rapidez. Precisamos de números para alimentar as simulações. E esses números geralmente estão ausentes.
O que aprendemos
A principal coisa que aprendemos é provavelmente que modelar não é tão difícil quanto parece. Embora tenhamos encontrado algumas dificuldades ao longo do caminho, cada grupo conseguiu fazer algumas simulações básicas e responder a algumas questões biológicas básicas – e tudo isso sem ter um forte background computacional. Talvez um gosto por computadores, mas isso é tudo.
Também aprendemos que a maioria das dificuldades que encontramos poderia ser resolvida (pelo menos parcialmente) entrando em contato com os próprios desenvolvedores do modelo. Todos ficaram felizes em responder às nossas perguntas e rápido em respondê-las.
Finalmente, concluímos: uma vez que passamos pela curva de aprendizado inicial, aprendemos que modelar plantas pode ser divertido.
Sobre os autores
Defesa Nicolas
Nicolas é um apaixonado pela natureza e pela medicina. Ele está atualmente terminando seus estudos de bioengenharia com especialização em modelagem na UCL (Louvain-la-Neuve, Bélgica). Seu desejo é usar ferramentas de computador para melhorar as técnicas biomédicas. Da mesma forma que as mudanças climáticas, o uso de modelos parece ser uma boa maneira de entender melhor o corpo humano.
Fábio Palmas
Fabio é aluno de mestrado em ciências agrícolas na Università di Torino. Ele está atualmente em um intercâmbio Erasmus na Université catholique de Louvain.
Antoine Rummen
Antoine está atualmente estudando ciências agronômicas na UCL, na Bélgica. Seus principais centros de interesse são as artes pictóricas, especialmente o período moderno, mas também o Renascimento italiano, a economia e o hóquei em campo. Nas horas vagas, a leitura ocupa sua mente.
Thomas Feron
Thomas é um estudante de 22 anos apaixonado por matemática aplicada e modelagem. Ele começou a estudar bioengenharia na UCL para entender como a natureza funciona e obter as ferramentas para protegê-la
François Duquesne
François é aluno da Université catholique de Louvain com mestrado em Bioengenharia. Ele é apaixonado por meio ambiente e ciências da computação. Seu objetivo é contribuir para a compreensão dos processos naturais, bem como para a proteção e conservação da Natureza.
Brieuc Reylandt
Brieuc é estudante de engenharia de biociências na UCLouvain (Bélgica). Ele se interessa pelas ciências em geral, mas também pelos problemas da sociedade como energia e mudanças climáticas. Ele toca violão nas horas vagas.
Gabriel Caréstia
Gabriel é aluno de mestrado do primeiro ano em bioengenharia na Universidade de Louvain-la-Neuve. Ele sempre foi apaixonado por ciências da vida e matemática. Ele naturalmente escolheu estudos focados na modelagem de sistemas em agronomia e na interpretação desses modelos para resolver vários problemas.
Timothée Clément
Timothée é estudante de bioengenharia em ciências agronômicas, opção “análise e gestão da informação” na UCL (Bélgica). Ele é um animador de movimentos juvenis e faz parte de um colocation em Louvain-la-neuve, liderando projetos locais para o desenvolvimento sustentável (“kot planete terre”).
Guillaume Lobet
Guillaume é professor assistente entre o Forschungszentrum Jülich e a Université catholique de Louvain. O objetivo de sua pesquisa é (i) entender como vários sinais que carregam informações estão interagindo e sendo transmitidos e integrados no nível da planta e (ii) ampliar o conhecimento fisiológico discreto em processos funcionais da planta. Tudo isso usando Modelos de Plantas Estruturais Funcionais.
Xavier Draye
Xavier Draye é professor de Fisiologia de Culturas e Melhoramento de Plantas na Université Catholique de Louvain. Ele usa uma combinação de estratégias experimentais e de modelagem (FSPM), desde a escala do órgão até a planta, para entender a dinâmica da arquitetura e hidráulica do sistema radicular. Ele interage de perto com hidrólogos do solo e biólogos moleculares para desenvolver novas visões do uso da água nas culturas que integram noções de crescimento, desenvolvimento, propriedades hidráulicas das raízes e dinâmica da água no solo. Xavier também é ativo no desenvolvimento de ferramentas e padrões de análise de imagem de raiz (RSML) e no desenvolvimento de sistemas de fenotipagem. Ele contribuiu para o projeto DROPs e está envolvido na seção de modelagem da infraestrutura EMPHASIS.
